滴状凝结广泛存在日常生活中，滴状凝结的维持在提升冷凝换热手段中至关重要。复合润湿表面通过降低表面局部成核势垒来提高冷凝换热效率是一种常见的手段，但这种方法一般伴随着复杂的表面设计及加工，同时亲水区域的引入会导致表面润湿性的提高。这样，伴随着权衡冷凝周期中成核和脱离两个过程，存在着复合润湿表面相对于同润湿性的均质表面是否更合适的问题。

基于上述问题，华北电力大学工程热物理研究中心王子杰同学作为第一作者，王绍宇同学作为第二作者，王晓东教授及李笃中教授作为通讯作者，在国际期刊International journal of heat and mass transfer上发表了在二元随机掺杂表面上水蒸汽冷凝为主题的论文，论文题目为“Water vapor condensation on binary mixed substrates: A molecular dynamics study”。该项工作首先研究了纳米液滴在二元掺杂表面上的润湿性；其次，发现了与同润湿性的均质表面相比，掺杂表面表现出对蒸汽成核的促进作用；最后，结合蒙特卡罗方法及分子动力学模拟，探究了不同掺杂比例的影响。

【论文概述】

基于分子动力学模拟，论文首先探究了掺杂表面的润湿性，发现掺杂表面的润湿性可以由Cassie方程进行预测：疏水表面上引入亲水区域来促进冷凝换热同时，表面润湿性增加。由此，文章对比了相近润湿性下的均质表面与掺杂表面上的冷凝成核过程，结合表面能量分析发现由于随机掺杂表面上能形成局部高能成核点，掺杂表面更有利于成核。

（图为表面能分析预测成核点（左）、团簇分析（右））

滴状凝结传热效率得益于疏水表面的脱离能力，文章分析了由于掺杂引起的接触角滞后大小。因为模拟尺度，晶格震动也会引起纳米液滴在均质表面上存在接触角滞后。相比于同润湿性的均质表面，掺杂表面接触角滞后没有明显增加。

（图为接触角滞后测量方法）

随着亲水原子掺杂比例的提高，表面润湿性也逐渐提高，掺杂的优势逐渐减弱。文章的第三部分探究了不同掺杂比例的影响。低的掺杂比例不能形成局部亲水原子的聚集，从而无法促进成核；高的掺杂比表面和同润湿性均质表面有相似的成核势垒，故其优势也无法体现；适中的掺杂比例表现出成核的促进作用。同时，结合蒙特卡洛方法，也表面在一定的掺杂比下，即便掺杂是随机的，表面上也能形成特定数量的高能成核点从而促进冷凝成核过程。

（图为不同比例下MD模拟团簇分析（左），MC方法计算高能点数目（右））

论文得出以下结论：（1）掺杂表面润湿性可以由Cassie方程预测。（2）相比于同润湿性的均质表面，掺杂表面表现出对成核的促进作用。（3）相比于同润湿性的均质表面，掺杂表面没有明显增加接触角滞后。（4）结合MD模拟及MC方法，相比同润湿性均质表面，掺杂比例适中的表面总能提高成核效率。

论文得到了国家自然科学基金（51936004）、国家自然科学基金创新研究群体科学基金（51821004）和中央高校基础科研项目（2020MS063）资助。

撰稿人：王子杰